DE4208894A1 - CIRCUIT FOR CONTROLLING A VOLTAGE-CONTROLLED SEMICONDUCTOR SWITCH - Google Patents
CIRCUIT FOR CONTROLLING A VOLTAGE-CONTROLLED SEMICONDUCTOR SWITCHInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Ansteue rung eines spannungsgesteuerten Halbleiterschalters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit for control voltage-controlled semiconductor switch according to the preamble of claim 1.
Die Schaltung kann bei allen Arten von Halbleiterschaltern, insbesondere Leistungsschaltern, eingesetzt werden, die leistungslos mit einem elektrischen Feld gesteuert werden und bei denen ein passives Ausschalten aus Gründen der Dy namik nicht ausreicht, beispielsweise bei MOSFET (Me tal-Oxide semiconductor-Feldeffekttransistor) und IGBT (In sulated-Gate Bipolar Transistor). Mögliche Anwendungen sind z. B. Überbrücken eines Anlaufwiderstandes oder Schalten eines Bremswiderstandes.The circuit can be used with all types of semiconductor switches, in particular circuit breakers are used, the can be controlled without power using an electrical field and where a passive switch off for reasons of Dy namik is not sufficient, for example with MOSFET (Me tal-Oxide semiconductor field effect transistor) and IGBT (In sulated-gate bipolar transistor). Possible applications are e.g. B. Bridging a starting resistor or switching a braking resistor.
In Fig. 3 ist eine einfache Schaltung zur Ansteuerung ei nes spannungsgesteuerten Halbleiterschalters S1 darge stellt. Es ist ein Übertrager T zu erkennen, dessen Primär wicklung mit der Ansteuerspannung für den Schalter S1 be aufschlagt wird. Der Schalter S1 wird eingeschaltet und verbleibt im leitenden Zustand, so lange die Ansteuerspan nung an der Primärwicklung ansteht. Durch Abschaltung der Ansteuerspannung an der Primärwicklung wird der Schalter S1 nach einer gewissen Verzögerungszeit gesperrt und verbleibt im sperrenden Zustand. Der Übertrager T weist eine Sekun därwicklung auf, deren Klemmen mit den Wechselspannungsan schlüssen eines Brückengleichrichters D1/D2/D3/D4 verbunden sind. Der positive Gleichspannngsanschluß des Brücken gleichrichters führt über einen niederohmigen Vorwiderstand R1 (Gatewiderstand) zum Gate des Schalters S1. Der negative Gleichspannungsanschluß des Brückengleichrichters ist mit dem Emitter bzw. Source des Schalters S1 verbunden, je nachdem, ob es sich beim Schalter S1 um einen IGBT oder um einen MOSFET handelt. Positiver und negativer Gleichspan nungsanschluß des Brückengleichrichters sind über einen Widerstand R2 miteinander verbunden.In Fig. 3 is a simple circuit for driving egg nes voltage controlled semiconductor switch S1 Darge provides. It can be seen a transformer T, the primary winding is opened with the control voltage for the switch S1 be. The switch S1 is turned on and remains in the conductive state as long as the control voltage is applied to the primary winding. By switching off the control voltage on the primary winding, the switch S1 is blocked after a certain delay time and remains in the blocking state. The transformer T has a secondary winding, the terminals of which are connected to the AC connections of a bridge rectifier D1 / D2 / D3 / D4. The positive DC voltage connection of the bridge rectifier leads to the gate of switch S1 via a low-resistance series resistor R1 (gate resistor). The negative DC voltage connection of the bridge rectifier is connected to the emitter or source of the switch S1, depending on whether the switch S1 is an IGBT or a MOSFET. Positive and negative DC voltage connection of the bridge rectifier are connected to each other via a resistor R2.
Wie bereits erwähnt, wird der Schalter S1 durch eine mit dem Übertrager T eingekoppelte Spannung eingeschaltet. Die Eingangskapazität zwischen Gate und Source bzw. zwischen Gate und Emitter des Schalters S1 wird beim Einschalten aufgeladen. Die Abschaltung des Schalters S1 erfolgt passiv durch Entladen der Eingangskapazität über die Widerstände R1 und R2, nachdem die Ansteuerspannung am Übertrager T auf Nullpotential abgefallen ist. Bei der Abschaltung des Schalters S1 sind dabei zwei widerstrebende Forderungen zu beachten. Der ohmsche Wert des Widerstandes R2 darf einer seits nicht zu klein sein, damit der während des Einschalt zustandes des Schalters S1 über die Gleichspannungsan schlüsse des Brückengleichrichters fließende Gleichstrom nicht zu hoch wird. Ein zu hoher Gleichstrom belastet ins besondere die Steuerspannungsquelle zur Abgabe der Ansteu erspannung zu stark (relativ hohe Verlustleistung). Ande rerseits ist ein schnelles Abschalten des Schalters S1 er wünscht und hierzu sollte der Widerstand R2 möglichst klein sein, damit sich die Eingangskapazität des Schalters S1 schnell entladen kann.As already mentioned, the switch S1 is replaced by a the transformer T coupled voltage turned on. The Input capacitance between gate and source or between The gate and emitter of switch S1 is turned on charged. Switch S1 is switched off passively by discharging the input capacitance through the resistors R1 and R2 after the control voltage at the transformer T on Zero potential has dropped. When the Switch S1 are two conflicting requirements note. The ohmic value of the resistor R2 may be one on the one hand, not to be too small so that the state of the switch S1 via the DC voltage of the bridge rectifier flowing direct current doesn't get too high. Too high a direct current is stressful especially the control voltage source for delivering the control voltage too strong (relatively high power loss). Ande on the other hand, the switch S1 is quickly switched off wishes and the resistance R2 should be as small as possible be so that the input capacity of the switch S1 can discharge quickly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Ansteuerung eines spannungsgesteuerten Halbleiterschal ters der eingangs genannten Art anzugeben, die einerseits die Steuerspannungsquelle nicht stark belastet und anderer seits den Schalter rasch abschaltet.The invention has for its object a circuit for controlling a voltage-controlled semiconductor scarf ters of the type mentioned above, the one hand the control voltage source is not heavily loaded and others turn off the switch quickly.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is done in conjunction with the characteristics of the Preamble according to the invention by the in the characteristic of Features specified claim 1 solved.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß die vorgeschlagene Schaltung sehr preis wert ist und nur einen geringen Aufwand erfordert. Die zu sätzlich benötigten Dioden sind billige Signaldioden, der zusätzliche Schalter ist ein billiger Kleinsignaltransistor (beispielsweise ein Kleinsignal-IGBT). Die Schaltung erfor dert vorteilhaft weder einen zweiten Übertrager, noch eine aufwendige, aus positiven und negativen Ansteuerpulsen auf gebaute Ansteuerspannung. Ferner ist keine zusätzliche Zu fuhr von Hilfsenergie notwendig. Die Verlustleistung der Schaltung ist relativ gering.The advantages that can be achieved with the invention are in particular special in that the proposed circuit is very expensive is worth it and requires little effort. The too additionally required diodes are cheap signal diodes additional switch is a cheap small signal transistor (for example a small signal IGBT). The circuit needed advantageous neither a second transformer, nor one complex, from positive and negative control pulses built control voltage. Furthermore, there is no additional Zu drove from auxiliary power necessary. The power loss of the Circuit is relatively small.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims marked.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments explained. It shows
Fig. 1 eine Schaltung zur Ansteuerung eines IGBT, Fig. 1 shows a circuit for driving an IGBT,
Fig. 2 eine Schaltung zur Ansteuerung eines MOSFET. Fig. 2 shows a circuit for driving a MOSFET.
In Fig. 1 ist eine Schaltung zur Ansteuerung eines IGBT dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Übertrager T eine Sekundärwicklung mit Mittenanzapfung aufweist, wobei die äußeren Klemmen der Sekundärwicklungshälften mit dem Brückengleichrichter D1/D2/D3/D4 verbunden sind und die Mittenanzapfungsklemme über eine Diode D5 an die erste Klemme eines hochohmigen Widerstandes R3, an die erste Klemme eines Stützkondensators C2 und an den Emitter des Schalters S1, d. h. des IGBT angeschlossen ist. Dabei liegt die Anode der Diode D5 an der Mittenanzapfung. Die Primär wicklung des Übertragers T ist wiederum mit einer Steuer spannungsquelle verbunden, die die Ansteuerspannung zum Ein/Aus-Schalten des Schalters S1 abgibt.In Fig. 1 shows a circuit for driving an IGBT. It can be seen that the transformer T has a secondary winding with center tap, the outer terminals of the secondary winding halves being connected to the bridge rectifier D1 / D2 / D3 / D4 and the center tap terminal connected via a diode D5 to the first terminal of a high-resistance resistor R3 the first terminal of a backup capacitor C2 and is connected to the emitter of the switch S1, ie the IGBT. The anode of diode D5 is located at the center tap. The primary winding of the transformer T is in turn connected to a control voltage source which outputs the drive voltage for switching the switch S1 on / off.
Die zweite Klemme des Widerstandes R3 ist über zwei Dioden D6, D7 mit den äußeren Klemmen der Sekundärwicklungshälften verbunden, wobei die Anoden der Dioden D6, D7 am Widerstand R3 liegen. Die zweite Klemme des Kondensators C2 ist mit dem negativen Gleichspannungsanschluß des Brückengleich richters verbunden.The second terminal of resistor R3 is through two diodes D6, D7 with the outer clamps of the secondary winding halves connected, the anodes of the diodes D6, D7 on the resistor R3 lie. The second terminal of the capacitor C2 is with the negative DC voltage connection of the bridge richters connected.
Das Gate des Schalters S1 liegt wiederum über dem Gatewi derstand R1 am positiven Gleichspannungsanschluß des Brücken gleichrichters. Ebenfalls mit dem positiven Gleichspan nungsanschluß ist der Kollektor oder Drain eines Hilfs schalters S2 verbunden. Der Emitter oder Source dieses Schalters S2 liegt über einem niederohmigen Entladewider stand R4 am negativen Gleichspannungsanschluß des Brücken gleichrichters. Das Gate des Schalters S2 ist an den Ver bindungspunkt von R3/D6/D7 angeschlossen. Als Hilfsschalter S2 kann ein MOSFET oder ein Kleinsignal-IGBT verwendet wer den.The gate of the switch S1 is in turn above the gate R1 at the positive DC voltage connection of the bridge rectifier. Also with the positive DC chip Connection is the collector or drain of an auxiliary switch S2 connected. The emitter or source of this Switch S2 lies over a low-resistance discharge resistor R4 was on the negative DC voltage connection of the bridge rectifier. The gate of switch S2 is at the ver connection point of R3 / D6 / D7 connected. As an auxiliary switch S2 can use a MOSFET or a small signal IGBT the.
Dem Widerstand R3 kann ein Stützkondensator C1 zur Span nungsstabilisierung parallelgeschaltet sein.A resistance capacitor C1 can be used to span the resistor R3 voltage stabilization must be connected in parallel.
Zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des Brückengleich richters kann der hochohmige Widerstand R2 zur Bezugspunkt bildung geschaltet sein.Between the DC voltage connections of the bridge Richters can use the high-resistance resistor R2 as a reference point education.
In Fig. 2 ist eine Schaltung zur Ansteuerung eines MOSFET dargestellt. Diese Schaltung entspricht der Schaltung gemäß Fig. 1 mit dem Unterschied, daß ein MOSFET anstelle eines IGBT als Schalter S1 Verwendung findet.In FIG. 2 shows a circuit for driving a MOSFET. This circuit corresponds to the circuit according to FIG. 1 with the difference that a MOSFET is used as a switch S1 instead of an IGBT.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Schaltungen gemäß Fig. 2 und 3 beschrieben. Zum Einschalten des Schalters S1 wird eine Wechselspannung an die Primärwicklung des Übertragers T angelegt (Ansteuerspannung). Vorzugsweise wird eine hochfrequente Burstspannung verwendet. Die in der Sekundärwicklung des Übertragers induzierte Wechselspannung wird über den Brückengleichrichter D1/D2/D3/D4 gleichge richtet, so daß an den Kathoden der Dioden D1, D2 eine po sitive und an den Anoden der Dioden D3, D4 eine negative Spannung ansteht. Die positive Spannung lädt die Eingangs kapazität des Schalters S1 über den niederohmigen Wider stand R1 relativ rasch auf, so daß die Kollektor-Emit ter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke des Schalters S1 durchschaltet. The mode of operation of the circuits according to FIGS. 2 and 3 is described below. To turn on the switch S1, an AC voltage is applied to the primary winding of the transformer T (control voltage). A high-frequency burst voltage is preferably used. The AC voltage induced in the secondary winding of the transformer is rectified via the bridge rectifier D1 / D2 / D3 / D4, so that a po sitive voltage is present on the cathodes of the diodes D1, D2 and a negative voltage is present on the anodes of the diodes D3, D4. The positive voltage charges the input capacitance of the switch S1 via the low-resistance resistor stood up relatively quickly, so that the collector-emit path or drain-source path of the switch S1 switches on.
An den Anoden der Dioden D6, D7 steht eine negative Span nung an. Da diese negative Spannung das Gate des Hilfs schalters S2 beaufschlagt, bleibt die Kollektor-Emit ter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke des Hilfsschalters S2 gesperrt. Der über die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des Übertragers T, die Diode D5, den Widerstand R3, die Dioden D6, D7 und die Sekundärwicklungshälften fließende Strom ist relativ gering, da - wie bereits ausgeführt - der Widerstand R3 hochohmig ist. Desgleichen ist der Stromfluß über die Dioden D1, D2, D3, D4, dem bedarfsweise einsetz baren Widerstand R2 und die Sekundärwicklungshälften auf grund der Hochohmigkeit des Widerstandes R2 relativ gering. Der Kondensator C2 wird auf eine bezüglich der Spannung der Eingangskapazität des Schalters S1 negative Spannung aufge laden.There is a negative span at the anodes of the diodes D6, D7 on. Because this negative voltage is the gate of the auxiliary applied switch S2, remains the collector emit ter path or drain-source path of the auxiliary switch S2 blocked. The one about the center tap of the secondary winding of the transformer T, the diode D5, the resistor R3, the Diodes D6, D7 and the secondary winding halves flowing Electricity is relatively low because - as already mentioned - the Resistor R3 is high resistance. The same is the current flow via the diodes D1, D2, D3, D4, use if necessary Resistance R2 and the secondary winding halves due to the high impedance of the resistor R2 relatively low. The capacitor C2 is switched on with respect to the voltage of the Input capacitance of switch S1 negative voltage applied load.
Zum Ausschalten des Schalters S1 wird die an der Primär wicklung des Übertragers T anstehende Wechselspannung abge schaltet. Folglich sperren die Dioden D6, D7 und das Gate des Hilfsschalters S2 wird nach einer kurzen, durch den Kondensator C1 bedingten Zeitkonstante über den Widerstand R3 mit einer im Vergleich zur Spannung am Emitter bzw. Source des Hilfsschalters S2 positiven Spannung beauf schlagt. Die Zeitkonstante entfällt, falls der Kondensator C1 nicht eingesetzt wird. Nachfolgend schaltet die Kollek tor-Emitter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke des Hilfs schalters S2 durch und die Eingangskapazität zwischen Gate und Source bzw. Emitter des Schalters S1 wird über den nie derohmigen Widerstand R1, die Kollektor-Emitter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke des Schalters S2 und den nie derohmigen Widerstand R4 mit dem negativen Potential des Kondensators C2 verbunden, was zur raschen Entladung der Eingangskapazität des Schalters S1 und damit zum Sperren der Kollektor-Emitter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke des Schalters S1 führt (siehe Stromkreis über die Emitter-Ga te-Strecke bzw. Source-Gate-Strecke des Schalters S1, den Widerstand R1, die Kollektor-Emitter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke des Hilfsschalters S2, den Widerstand R4 und den Kondensator C2). Der Kondensator C2 stellt damit sicher, daß auch nach dem Abschalten der Wechselspannung am Übertrager (Ansteuerspannung) noch eine negative Spannung zum raschen Sperren des Schalters S1 zur Verfügung steht. Hierdurch wird der Ausschaltvorgang von S1 wesentlich be schleunigt. Aufgrund der sperrenden Diode D5 wird eine Ent ladung des Kondensators C2 verhindert.To turn off switch S1, the one on the primary winding of the transformer T pending AC voltage abge switches. As a result, the diodes D6, D7 and the gate block of the auxiliary switch S2 is after a short, by the Capacitor C1 conditional time constant across the resistor R3 with a compared to the voltage at the emitter or Source of auxiliary switch S2 positive voltage act strikes. The time constant is omitted if the capacitor C1 is not used. The collector then switches gate-emitter path or drain-source path of the auxiliary switch S2 through and the input capacitance between the gate and source or emitter of the switch S1 is never over the resistor R1, the collector-emitter path or drain-source path of switch S2 and never the resistance R4 with the negative potential of the Capacitor C2 connected, causing rapid discharge of the Input capacity of switch S1 and thus for blocking the collector-emitter path or drain-source path of the Switch S1 leads (see circuit via the emitter Ga te route or source-gate route of the switch S1, Resistor R1, the collector-emitter path or Drain-source path of auxiliary switch S2, the resistance R4 and capacitor C2). The capacitor C2 thus provides sure that even after switching off the AC voltage on Transformer (control voltage) still a negative voltage is available for quickly locking switch S1. As a result, the switch-off process of S1 will be essential accelerates. Due to the blocking diode D5, an Ent charge of the capacitor C2 prevented.
Claims (4)
- - daß die Reihenschaltung eines Hilfsschalters (S2) und eines ersten Widerstandes (R4) zwischen den Gleich spannungsanschlüssen des Brückengleichrichters ange ordnet ist,
- - daß die Sekundärwicklung des Übertragers (T) eine Mittenanzapfung aufweist, die mit dem Emitter oder Source des Halbleiterschalters (S1), einem ersten Kondensator (C2) und einem zweiten Widerstand (R3) verbunden ist,
- - daß der erste Kondensator (C2) andererseits am nega tiven Gleichspannungsanschluß des Brückengleichrich ters (D1/D2/D3/D4) liegt,
- - und daß der zweite Widerstand (R3) andererseits an die Anoden von zwei mit den äußeren Klemmen der Sekundärwicklungshälften des Übertragers (T) verbun denen Dioden (D6, D7) und das Gate des Hilfsschalters (S2) angeschlossen ist.
- - That the series connection of an auxiliary switch (S2) and a first resistor (R4) between the DC voltage connections of the bridge rectifier is arranged,
- - That the secondary winding of the transformer (T) has a center tap, which is connected to the emitter or source of the semiconductor switch (S1), a first capacitor (C2) and a second resistor (R3),
- - That the first capacitor (C2) on the other hand at the nega tive DC voltage connection of the bridge rectifier (D1 / D2 / D3 / D4),
- - And that the second resistor (R3) on the other hand to the anodes of two with the outer terminals of the secondary winding halves of the transformer (T) verbun which diodes (D6, D7) and the gate of the auxiliary switch (S2) is connected.
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